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GDT

GDT 描述符各个位的详细说明

在 x86 架构中，每个 GDT 描述符占用 8 字节（64 位），描述符字段从低到高依次为段界限、段基址、类型、权限和其他控制位。以下是各位的具体含义和用途：

1. 段界限（Limit）：20 位

  • 位置：第 0-15 位（低 16 位）和第 48-51 位（高 4 位）。
  • 作用：指定段的大小，用来确定段的有效访问范围。
  • 说明：段界限是20位值，结合 G（粒度）位控制段的大小。
    • 如果 G = 1，段界限的单位是 4KB（最大 4GB）。
    • 如果 G = 0，段界限的单位是字节（最大 1MB）。
  • 使用场景：设置数据段或代码段的大小，避免对段外内存的非法访问。

2. 段基址（Base）：32 位

  • 位置：第 16-31 位（低 16 位）、第 32-39 位（中间 8 位）和第 56-63 位（高 8 位）。
  • 作用：指定段的起始地址，用于确定段的物理地址。
  • 说明：段基址指定段的基地址，加上偏移量得到访问的实际内存地址。
  • 使用场景：分段内存模型中，通过不同段基址隔离各个段，实现内存保护和数据隔离。

3. 类型（Type）：4 位

  • 位置：第 40-43 位。
  • 作用：定义段的属性和权限，控制代码段和数据段的访问权限。
  • 说明：根据段的类型不同，Type 位的含义有所不同：
    • 代码段：
      • X 位（执行位）：1 表示该段为可执行代码段。
      • C 位（依从位）：1 表示代码段是依从的，高权限代码可以调用低权限的代码段。
      • R 位（可读位）：1 表示代码段可读（通常可读，设置为 1）。
      • A 位（访问位）：1 表示段已被访问，CPU 自动设置。
    • 数据段：
      • E 位（扩展方向位）：1 表示数据段向下扩展（常用于栈段）。
      • W 位（可写位）：1 表示数据段可写，0 表示只读。
      • A 位（访问位）：1 表示段已被访问，CPU 自动设置。
  • 使用场景：操作系统设置不同的代码和数据段，通过这些位控制代码的执行权限及数据的读写权限。例如，内核代码段设置为可执行不可读，数据段设置为可读写。

注意：对于代码段来说，这4位则分别是X、C、R、A位。而对于数据段来说，这4位分别是X、E、W、A位； GDT描述符字段含义详解 - 图2

4. 描述符类型（S）：1 位

  • 位置：第 44 位。
  • 作用：区分普通段（代码或数据段）和系统段（如调用门、任务状态段等）。
  • 说明：
    • S = 1：表示代码段或数据段。
    • S = 0：表示系统段或门描述符。
  • 使用场景：系统段通常包含特殊的信息（如任务状态、调用门等），在应用程序层级不可访问；代码段和数据段则是普通应用程序和内核的程序段。 GDT描述符字段含义详解 - 图3

5. 描述符特权级（DPL，Descriptor Privilege Level）：2 位

  • 位置：第 45-46 位。
  • 作用：指定段的访问权限级别，控制不同权限级别之间的访问。
  • 说明：DPL 值从 0 到 3，数值越小权限越高：
    • DPL = 0：最高权限（通常为内核使用）。
    • DPL = 3：最低权限（用户态程序使用）。
  • 使用场景：用户态程序只能访问 DPL 为 3 的段，而内核态代码可以访问 DPL 为 0 的段，确保系统的安全性，防止用户态直接访问内核态代码。 GDT描述符字段含义详解 - 图4

6. 段存在位（P，Present）：1 位

  • 位置：第 47 位。
  • 作用：表示该段是否在内存中。
  • 说明：
    • P = 1：段存在于内存中。
    • P = 0：段不在内存中，访问该段会引发异常。
  • 使用场景：段切换或段加载时，操作系统可以根据需要将段载入内存或释放，未加载的段设置为 P=0。 GDT描述符字段含义详解 - 图5

7. 段界限高位（Limit 16:19）：4 位

  • 位置：第 48-51 位。
  • 作用：与低16位共同构成段界限。
  • 使用场景：结合粒度位 G 控制段大小。大段或较大内存区通常设置为更高的段界限，以覆盖更大的内存区域。

8. 可用位（AVL）：1 位

  • 位置：第 52 位。
  • 作用：保留给操作系统使用。
  • 说明：通常设置为 0，但可用于存储系统特定的控制信息。
  • 使用场景：操作系统或硬件扩展可以利用此位来标记特定用途或优化内存管理。

9. 64 位代码段（L）：1 位

  • 位置：第 53 位。
  • 作用：在 IA-32e 模式下表示 64 位代码段。
  • 说明：
    • L = 1：表示 64 位代码段。
    • L = 0：表示非 64 位代码段（如 32 位段）。
  • 使用场景：64 位模式下运行的代码段设置 L=1，仅在 64 位模式下有效；在 32 位模式下忽略此位。

10. 偏移寄存器操作数大小（D/B）：1 位

  • 位置：第 54 位。
  • 作用：控制段的默认操作数和地址大小。
  • 说明：
    • D/B = 1：默认操作数大小为 32 位，偏移寄存器使用 32 位。
    • D/B = 0：默认操作数大小为 16 位，偏移寄存器使用 16 位。
  • 使用场景：保护模式下的代码段、数据段和栈段通常设置 D/B=1，以支持 32 位操作；在16位程序中则设置为 D/B=0。 GDT描述符字段含义详解 - 图6

11. 粒度位（G）：1 位

  • 位置：第 55 位。
  • 作用：决定段界限的单位。
  • 说明：
    • G = 1：段界限以 4KB 为单位（适合大段）。
    • G = 0：段界限以字节为单位（适合小段）。
  • 使用场景：大段（如代码段或数据段）通常设置为 4KB 粒度，以覆盖更大的内存空间；小段或特定硬件映射区域可能设置为字节粒度。

12. 段基址高 8 位（Base 24:31）：8 位

  • 位置：第 56-63 位。
  • 作用：段基址的高 8 位，与其他基址部分共同确定段的物理起始地址。
  • 使用场景：用于完整指定段的基地址，在多段模型中实现数据隔离和内存保护。

附图

1. GDTR寄存器

GDT描述符字段含义详解 - 图7

2. 段选择子

GDT描述符字段含义详解 - 图8

GDT 描述符的每个位控制了段的不同属性，如权限级别、大小、类型、基址和粒度。通过这些位的组合，操作系统可以精确地配置内存段的访问权限、执行权限以及数据隔离，保证了内核和用户态程序的安全。